3D打印的“高溫合金”可以提高發(fā)電廠的效率

2023年6月19日，南極熊獲悉，一種被稱為超級合金的新型高性能金屬合金可以幫助發(fā)電廠、航空航天和汽車工業(yè)中使用的渦輪機提高效率。

這種超級合金是通過使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建的，它由六種元素的混合物組成。這些元素相互作用形成一種比傳統(tǒng)渦輪機械所使用的標準材料更輕、更堅固的材料。這種強韌的高溫合金有望幫助工業(yè)降低成本和碳排放，前提是這種方法能夠成功地進行規(guī)?；a(chǎn)。

△MPES樣品在不同放大倍數(shù)下的竣工（A 和 B）和熱處理后（C 和 D）微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像

新合金研發(fā)技術(shù)背景

近年來，在材料科學領(lǐng)域，對新金屬合金的研究持續(xù)升溫。一個多世紀以來，我們一直依賴于相對簡單的合金，比如含有98%鐵的鋼，來構(gòu)建制造業(yè)和建筑業(yè)的基礎(chǔ)。然而，如今的挑戰(zhàn)要求更多：我們需要合金能夠在更高溫度下保持強度，承受壓力，同時又要輕量化。

長期以來，工程師們一直致力于優(yōu)化用于渦輪機的材料，這些渦輪機在發(fā)電廠中起著將機械能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵作用。然而，即使是最先進的材料，如鎳基和鈷基超級合金，在極高溫度下的暴露下也會出現(xiàn)退化和性能下降的問題。

這就是為什么在過去二十年里，科學家們一直在研究復雜合金的原因之一。這些合金由多達六種不同的金屬組成。通過精確調(diào)整構(gòu)成超級合金的元素比例，科學家們希望發(fā)現(xiàn)新的原子級相互作用，從而獲得有益的特性。然而，由于元素組合的比例幾乎是無限的，針對特定應(yīng)用優(yōu)化這些合金是一個巨大的挑戰(zhàn)。

△該研究題目為“高溫下的極高硬度與輕質(zhì)的多元素超級合金的增材制造”（傳送門）

增材制造實現(xiàn)創(chuàng)新多材料合金

一種有前途的方法是利用3D打印技術(shù)，它使研究人員能夠精確控制不同金屬的相對比例。這種方法使用強大的激光快速熔化金屬的固態(tài)粉末，并將其逐層沉積以實現(xiàn)精確的合金構(gòu)成。

由新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國家實驗室Andrew Kustas領(lǐng)導的研究團隊，利用這項技術(shù)開發(fā)出一種高性能的六元素超級合金。該合金的成分包括42%的鋁、25%的鈦、13%的鈮、8%的鋯、8%的鉬和4%的鉭。這種合金具有堅固、輕便和出色的耐熱性。

這些特性對于發(fā)電廠中使用的渦輪機尤為重要，因為渦輪機在全球發(fā)電量中占據(jù)73%。事實上，驅(qū)動渦輪機的氣體溫度越高，轉(zhuǎn)速越快，效率也越高。

△通過密度泛函理論計算，該研究揭示了與溫度無關(guān)的硬度以及形成多相結(jié)構(gòu)的熱力學優(yōu)勢，從而對觀察結(jié)果提供了合理的解釋

當加熱到800°C（1472°F）（發(fā)電廠渦輪機的常見溫度）時，這種超級合金比許多其他為類似目的設(shè)計的合金更堅固、更輕。這一突破表明了超級合金在動力渦輪機以外的潛在應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域，這些領(lǐng)域需要材料具備堅固、輕便并能夠抵抗極端溫度變化。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，超級合金的性能與計算機模型生成的預測相關(guān)，該模型旨在預測元素的特定組合如何傳導熱能。這些預測結(jié)果表明，未來的計算機模型可能能夠幫助預測哪些元素組合可能會產(chǎn)生新的有用的超級合金。

為了將最近創(chuàng)造的超級合金引入主流制造，研究團隊努力尋找一種經(jīng)濟有效的方法來擴大3D打印的規(guī)模，同時確保成品無微裂紋的問題，這在大規(guī)模生產(chǎn)中可能面臨挑戰(zhàn)。克服這些挑戰(zhàn)將有助于使我們?nèi)粘Ｊ褂玫膭恿C器變得更強大、更高效，同時減少對環(huán)境的影響。